суперлегкий газ — ньютоний. А Фарадей, который был в теме, экспериментируя с электричеством дольше всех, засомневался в идее эфира, но умер, и его сомнения потомки не поддержали.
Так-то всё было почти готово, чтобы торжественно сойтись для понимания фундаментальных тайн мироздания: ученым оставалось описать природу эфира и заткнуть последние дыры в теории электромагнетизма.
Чтобы понять, какой такой волной является свет, ученые решили присмотреться к давешнему опыту Юнга. Помните, в предыдущей главе мы рассказывали про то, как свет проходил через две прорези в дощечке и давал на экране позади интерференционную картинку? Что, собственно, и привело испытателей к мысли о волновой природе света.
Внимание, сейчас будет отвлеченная, но очень важная информация насчет двухщелевого эксперимента. Когда в научпопе или еще где-то вы встречаете его описание в виде стрельбы электронами или фотонами по натуральным щелям, имейте в виду, что на самом деле это описание весьма утрированное и вымышленное. Большая часть «специалистов по квантмеху» в интернете воспринимает аналогию за чистую монету и пытается ее критиковать, выдвигая умопомрачительные гипотезы о том, как на самом деле объясняется двухщелевой эксперимент. Много суеты наводит пресловутый анимационный ролик с убедительным доктором в плаще супергероя, визуализирующий опыт со щелями. Несмотря на кажущуюся научность этого мультфильма, ролик является отрывком из абсолютно лженаучного фильма, втирающего населению про материальность мыслей, высших наблюдателей и прочей ерунде. Так вот, если вы нам доверяете, имейте в виду: настоящий эксперимент с интерференцией квантов производится сложнее и хитроумнее. А выводы из него несколько другие, нежели озвучиваются в большинстве научпоповских поделках. Мы тоже не лучше всего этого, но зато честные и стараемся исправиться.
Давайте посмотрим, как ученые заморочились на интерференции, и что из этого получилось. Во все нижесказанное трудно въехать с первого раза, поэтому помните, что совершенно не стыдно перечитать написанное несколько раз и даже подглядеть в Википедии. Мы и сами написали эту главу с десятой попытки и в процессе не стеснялись в выражениях.
Перед нами картинка, показывающая устройство простейшего интерферометра. Его соорудил тот самый разрушитель легенд Майкельсон для расчета длин волны света и заодно для попыток поиска светоносного эфира.
Итак, у нас имеется источник света (на самом деле светит специально подготовленный светильник, чтобы не смешивались разные длины волн, но свечка на иллюстрации выглядит душевно). Свет направляется на полупрозрачное зеркало посередине. Полупрозрачное зеркало — это такое зеркало, которое хочет — пропускает свет, а хочет — отражает. Короче говоря, в половине случаев свет проходит через зеркало, а в другой половине случаев — отражается. Занятная штука. Тонировка на нашем заниженном автовазике так же работает, если что.
В точке 1 траектория светового потока делится на две новые траектории, по которым свет устремляется к двум нормальным зеркалам, и в точках, отмеченных цифрой 2, отражается.
Не отвлекаемся! Следим за нарисованным. Отраженный от обоих зеркал свет возвращается к полупрозрачному зеркалу и в точках 3 снова делится. Нас интересуют только те траектории, которые отправляют поток света к экрану. Там на экране два луча пересекаются под некоторым углом. Две волны накладываются друг на друга, гребни и впадины суммируются, и на экране появляется обычная и не очень впечатляющая интерференционная картина из светлых и темных полосок.
Ну, все нормально, сказали ученые. Тут как раз все понятно! Свет от источника делится пополам, и затем два луча интерферируют. Свет — это волна, и не о чем больше говорить! В те времена считалось, что амплитуда световой волны, чем бы она ни была, пропорциональна интенсивности света. А если быть точнее, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. То есть увеличиваем интенсивность света, и интерференционные полоски становятся ярче. Если взять за аналогию морскую волну, то высокая мощная волна впечатает вас в прибрежную скалу сильнее, чем низкая. Логичненько?
Но появился Эйнштейн со своим фотоэффектом. Мы уже относительно подробно рассказывали об этом в предыдущих лекциях, но не грех вкратце напомнить. Если направить свет на специальный материал (фотопластинку), то он будет выбивает из нее электроны. Казалось бы, чем ярче будем светить на пластинку, тем быстрее оттуда будут электроны вылетать. Чем ярче свет, чем он интенсивнее, чем больше его амплитуда, тем выше будет скорость выбиваемых электронов — снова вспомним про мощную такую морскую волну.
В реальности все оказалось не так. Чем выше была яркость света, тем больше выбивалось электронов. А скорость их вылета была одинакова. Хоть обставь всю лабораторию прожекторами. Стоило же изменить длину световой волны, то электроны неожиданно меняли скорость. Если взять самую длинную волну видимого света — красный свет — то тогда электроны вообще переставали вылетать. Какого, спрашивалось, лешего? Это была засада. И эту загадку разгадал Эйнштейн. За что ему дали нобелевку, хотя кому-то хотелось дать ему по щщам: все испортил и открыл ящик Пандоры.
В это время, снова напомним, некий Макс Планк показал мужикам смешную шутку. Он на досуге рассчитывал, как излучает тепло «сферический конь в вакууме» — абсолютно черное тело. Если считать по формулам Максвелла, то в итоге насчитывалась бесконечная энергия — у нас, между прочим, местные энергетики и работники тепловых сетей так же, похоже, считают. А Планк взял и придумал удачную формулу, чтобы подогнать расчет под ответ. Никогда такого не было, и вот опять. Ох уж эти ученые: вечно выдумывают, подгоняют результаты, а потом награждают друг друга и выписывают гранты.
В общем, получалось, что тепло идет не бесконечным потоком, а кусками — их назвали квантами тепла. Ну как в интернете — пакеты летят, так и тут, тепло кусками вылезает из сферического коня в вакууме. И Планк попросил Альберта заценить шутку, мол, гляди: кванты какие-то, дискретность, математические абстракции… Эйнштейн же юмора не понял, а взял и применил идейку к волне света. И спросил себя, а потом и остальных, что если световая волна тоже излучается порциями. Эту порцию он назвал квантом света (позже — фотоном). Фотоны в некоторых случаях вели себя как частицы. Кончилась история тем, что Планк обиделся на Эйнштейна и до конца жизни клал на квантовую теорию интерферометр.
А вот дальше началось то, от чего сам Эйнштейн испытал знатное удивление и в итоге тоже на всех обиделся. Как дядюшка Альберт объяснил фотоэффект? Легко и по-пацански! Один квант света выбивает ровно один электрон. Как частица частицу. Поэтому увеличиваем интенсивность света: летит больше фотонов, выбивается больше электронов. Энергия выбивания всё та же.
